駐極母粒的制備及其對熔噴材料結構與性能的影響研究

楊童童,陳海燕,李 娜,姜匯賢,劉 偉

(中國石化儀征化纖有限責任公司研究院,江蘇儀征 211900)

熔噴非織造布由于纖維直徑小、比表面積大、空隙率高、深層過濾性能高、空氣通氣阻力低以及加工性能良好,被認為是最具有前途的過濾材料,成為僅次于針刺法的第二大類非織造布濾材[1-3]。駐極體過濾材料利用纖維本身帶電及對帶電粉塵靜電吸引的長庫倫力作用捕獲粉塵,增強了對微小粒子的捕獲能力。聚丙烯(PP)熔噴駐極非織造材料融合了PP熔噴材料及駐極體的優點,具有突出的疏水性,熱穩定性以及較高的電荷儲存能力,越來越受到人們的關注,需求量與日俱增。同時,人們對過濾材料的過濾效率、過濾粒徑、通氣阻力、使用感受和使用壽命的要求也更為嚴格。駐極體是指具有長期儲存電荷功能的電介質材料,已被廣泛應用于高效低阻空氣過濾材料領域。駐極母?？梢杂行г黾尤蹏姛o紡布中電荷捕集能阱的密度和深度,提高熔噴無紡布的過濾效率和抗熱衰減的性能,從而提高產品質量和使用壽命[4-6]。

為了解決過濾材料表面靜電荷不穩定的問題,國內外科研人員進行了大量的探索與研究。有科研人員將無機或有機添加劑加入駐極體過濾材料中改善駐極體的帶電能力,提高駐極體過濾材料的過濾性能[7-10]。但鮮有關于無機添加劑/PP共混和有機添加劑/PP共混的非織造材料的性能對比。

基于無機電氣石和有機聚四氟乙烯(PTFE)可極化易帶電的特性,本文采用電氣石和PTFE分別與PP切片以一定比例混合造粒,經相同的熔噴成型工藝,結合電駐極工藝,獲得不同的非織造材料,研究無機和有機駐極母粒的過濾性能以及非織造材料的表觀形態、纖維直徑、過濾性能及力學性能,全面研究電氣石和PTFE的加入對聚丙烯熔噴材料的影響。

1 試 驗

1.1 原料

PP,230 ℃,2.16 kg負荷下的熔融指數為1 500 g/10 min,燕山石油化工股份有限公司;電氣石,粒徑范圍為100～500 nm,平均粒徑為256 nm,密度為3.02～3.40 g/cm3,莫氏硬度為6.5～7.5,托瑪琳有限責任公司;硬脂酸鎂,白色粉末,熔點為200 ℃,山東中旺油脂有限公司;PTFE,超微粉,M-12型,粒徑為0.197 μm,大金氟(中國)有限公司;抗氧劑1010,巴斯夫股份公司;抗氧劑168,巴斯夫股份公司。

1.2 儀器設備

雙螺桿擠出機,SHJ36型,南京杰亞擠出裝備有限公司;掃描電子顯微鏡,Nova NanoSEM 450型,FEI公司;顆粒物過濾效率測試儀,DR251XL2型,溫州市大榮紡織儀器有限公司;萬能材料拉伸試驗機,5965型,美國INSTRO公司;熔噴試驗裝置,中國石化儀征化纖公司1-12K生產線;盤式磨粉機,MF-400型,張家港振邦機械廠;過濾性能測試儀,龍口市龍口華瑞機械廠。

1.3 試驗過程

1.3.1 駐極母粒的制備

用共混造粒的方法,利用盤式磨粉機將納米電氣石粉末或PTFE粉末、添加劑和PP按一定比例混合均勻,樣品材料的具體配比見表1。將混合好的物料加入雙螺桿擠出機經過擠壓、熔融、風冷、拉條、冷卻,制成電氣石駐極母?；騊TFE駐極母粒,雙螺桿造粒的工藝參數如表2所示。

表1 駐極母粒原料配方

表2 雙螺桿擠出機工藝參數

1.3.2 熔噴非織造材料的制備

將PP和制成的兩種駐極母粒加入熔噴裝置自動料倉,送入螺桿擠出機加熱熔融后,流入預過濾器,濾去熔體內的雜質,然后流至計量泵,借計量泵的壓力,將熔體從噴絲模頭小孔口擠出,噴絲孔直徑為0.3 mm,小孔兩側的高速熱壓縮空氣將對噴絲板擠出的熔體進行熱風高速牽伸,得到熔噴超細纖維,纖維經過短時間的冷卻結晶,在凝網簾上聚集,得到熔噴非織造材料,熔噴非織造材料再經駐極處理(駐極絲放電)得到最終成品。熔噴工藝流程如圖1所示,熔噴加工工藝參數如表3所示,所制得的過濾材料樣品列于表4。

圖1 熔噴非織造材料的制備工藝流程

表3 熔噴加工工藝參數

表4 焙噴非織造材料樣品組成

1.4 分析測試

1.4.1 表面形貌分析

將非織造材料或粉末樣品固定在樣品座上,放入208HR離子濺射儀進行噴鍍處理,經處理后的試樣用掃描電子顯微鏡觀察樣品的形貌結構,掃描電子顯微鏡分辨率:高真空3.5 nm、4.5 nm,放大倍率:18～30萬倍。

1.4.2 駐極母粒過濾性能分析

將以上制備的有機和無機駐極母粒樣品和PP原料按不同比例混合均勻,混合得到的樣品列于表5。將混合好的物料加入單螺桿擠出機經過擠壓、熔融、過濾,通過濾網壓力對駐極母粒樣品進行過濾性能評價,過濾性能評價工藝參數如表6所示。

表5 過濾性能評價使用的樣品組成

表6 過濾性能評價工藝參數

1.4.3 過濾效率與過濾阻力

參照GB 2626—2019《呼吸防護 自吸過濾式防顆粒物呼吸器》,采用DR251XL2型顆粒物過濾效率測試儀,測量熔噴非織造材料的過濾效率和相應的氣流阻力。本試驗設定測試流量為(32±2)L/min。

1.4.4 力學性能分析

參照ISO 9073—18—2007I《紡織品 非織造布試驗方法》對制備的熔噴非織造材料進行力學性能測試。將熔噴非織造材料制成尺寸為50 mm×200 mm的標準樣條,用萬能材料試驗機在室溫下對其力學性能進行測試,拉伸速度100 mm/min,每組試樣取5次測試的平均值。

2 結果與討論

2.1 駐極母粒中駐極添加劑分散性能

通過掃描電子顯微鏡觀察電氣石在母粒中的分散情況,納米電氣石在母粒中的分布狀況如圖2所示。納米電氣石在母粒中的分散比較均勻,未出現明顯的團聚現象,不易造成噴絲孔堵塞。

(a):放大5 000倍;(b):放大10 000倍

2.2 駐極母粒過濾性能分析

有機和無機駐極母粒樣品的過濾性能如圖3所示。

圖3 熔體過濾壓力隨時間變化圖

由圖3可知,純PP原料與添加有機PTFE的PP混合材料過濾壓力僅略有升高,添加電氣石的駐極母粒與PP混合材料的過濾壓力均隨時間的增加而增加,添加5%電氣石駐極母粒的過濾壓力在30 min內,從1 MPa升高至3.17 MPa。而添加12.5%的電氣石駐極母粒的過濾壓力在30 min內,從1 MPa升高至6.01 MPa。表明PP原料中無機粒子的添加均會使過濾壓力升高,縮短濾網使用壽命。隨電氣石駐極母粒添加量的增加,過濾壓力也隨之升高。這可能是由于電氣石粒子在熔融過濾過程中在過濾網上發生聚集,從而導致過濾壓力升高。

2.3 熔噴非織造材料表面形態分析

用掃描電子顯微鏡分別對制得的熔噴材料的表面形態進行分析,如圖4所示。由圖4可知,熔噴非織造布的纖網中的纖維很細,并且呈三維網狀結構,排列紊亂。纖網中空隙較多,纖維之間以相互纏結、交叉、熱黏合形式結合,提高了纖網的強力。電氣石的加入使非織造材料的表面孔隙變大,纖維變粗。

(a):PP;(b):98.5PP+1.5電氣石駐極母粒;(c):98.5PP+1.5PTFE駐極母粒;(d):97.5PP+2.5PTFE駐極母粒

這種現象產生的原因可能是電氣石的自發極化效應產生的電荷,使得噴絲孔噴出的含有電氣石的絲條之間產生了一定的排斥力,使得材料表面纖維孔隙增大?？紫兜脑龃?提高了非織造材料的透氣性。而添加PTFE駐極母粒的熔體流動性好,制得熔噴材料的纖維較細,隨PTFE駐極母粒添加量從1.5%增加至2.5%,纖維變得更細,纖維和纖維間的纏結、交叉更多,纖維排布更為復雜,纖網也趨于致密。

2.4 熔噴非織造材料直徑分析

利用電鏡測試中圖像測量工具對制得的四種熔噴非織造材料中纖維的細度進行測試,得到纖維細度分布圖,如圖5所示。各熔噴非織造材料的纖維直徑數據列于表7。

圖5 熔噴非織造材料中的纖維直徑分布圖

表7 熔噴非織造材料的纖維直徑

由圖5可知,添加電氣石的熔噴材料纖維較純PP熔噴材料纖維粗。熔噴材料中纖維的細度與熔噴過程中熔體受到的牽伸程度相關。電氣石的加入,使得熔體在牽伸過程中穩定性下降,熔體流動性變差,熔體牽伸受阻,最終導致纖維直徑變大,牽伸得到的纖維均勻性下降。而添加PTFE駐極母粒制得熔噴材料的纖維較細,且更均勻,隨著PTFE駐極母粒添加量從1.5%增加至2.5%,纖維總體上變得更細更均勻。

2.5 熔噴非織造材料的過濾性能

對制得的四種熔噴非織造材料的過濾性能進行對比分析,結果如表8所示。由表8可知,駐極工藝對熔噴非織造材料過濾性能的提高起到很大的作用,未經駐極的熔噴非織造材料的過濾效率很低,通氣阻力略大。這說明,增加靜電荷對提高非織造布的過濾效率有著關鍵影響,駐極使得纖維吸附粒子增多,過濾效率明顯增加。電氣石的加入結合駐極工藝能使熔噴非織造材料的過濾效率大大提升,這主要是由于外界直接通過高壓放電的作用注入載流子轟擊非織造布的表面,形成空間電荷,同時由于電氣石的存在,形成了永久帶電的駐極體。這些注入的空間電荷層沉積在非織造布的表面和深層,使得極化電荷增多,電荷密度增加[11-13],過濾效率提高。添加PTFE駐極母粒制得熔噴材料的過濾效率與添加電氣石駐極母粒制得熔噴材料相當,但其通氣阻力顯著下降,非織造材料通氣阻力主要取決于纖網中孔隙大小和數量,孔隙率大的纖網通氣阻力也越小。材料的通氣阻力與纖維的形態也有關,纖維間纏結、交叉越多,纖維在纖網中排布結構越復雜,纖維越蓬松,則阻力越小。施加駐極電壓后,通氣阻力減小,這是由于施加駐極電壓時針尖下方的空氣產生電暈電離,產生局部擊穿放電,載流子受到電場的作用而沉積到熔噴布表面,一部分載流子會深入表層被駐極母粒的陷阱捕獲,從而使纖維帶電產生極化效應,纖維和纖維間產生了一定的排斥力,使得材料表面纖維孔隙增大。當PTFE駐極母粒添加量從1.5%提高到2.5%,熔噴材料的過濾效率有所提高。

表8 熔噴非織造材料的過濾性能

2.6 熔噴非織造材料的力學性能

將四種熔噴非織造材料的力學性能進行對比分析,結果如表9所示。由表9可知,電氣石熔噴材料縱、橫向斷裂強力較大,縱、橫向斷裂伸長率較小。這是由于電氣石顆粒均勻地分散在PP中,當PP熔噴材料受到外力的作用時,粒子周圍會產生應力集中效應。添加PTFE駐極母粒制得熔噴材料具有同樣的現象。當PTFE駐極母粒添加量從1.5%提高到2.5%,縱向斷裂伸長率從23.13%增大到25.08%,橫向斷裂伸長率從49.86%增大到51.18%。

表9 熔噴非織造材料的力學性能

3 結 論

本文采用電氣石和PTFE分別與PP切片以一定比例混合造粒,經熔噴成型,結合電駐極工藝,制得不同的非織造材料,研究無機和有機駐極母粒的過濾性能以及非織造材料的表觀形態、纖維直徑、過濾性能及力學性能。得出以下結論:

a) 電氣石的添加會使過濾壓力升高,縮短濾網使用壽命。隨電氣石駐極母粒添加量的增加,過濾壓力也隨之升高。而添加有機PTFE后的PP混合材料其過濾壓力僅略有升高。

b) 電氣石的加入使非織造材料的表面孔隙變大,纖維變粗。而添加PTFE駐極母粒制得熔噴材料的纖維較細,且更均勻,隨著PTFE駐極母粒添加量從1.5%增加至2.5%,纖維總體上變得更細更均勻。

c) 電氣石和PTFE的加入結合駐極工藝能使熔噴非織造材料的過濾效率大大提升,添加PTFE駐極母粒制得熔噴材料的過濾效率與添加電氣石駐極母粒制得熔噴材料相當,其通氣阻力顯著下降。當PTFE駐極母粒添加量從1.5%提高到2.5%,熔噴材料的過濾效率有所提高。